L'AIEA publie un rapport sur la gestion du vieillissement des systèmes de stockage à sec du combustible usé

L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) a publié les résultats d'une étude décennale sur la gestion du vieillissement des systèmes de stockage à sec du combustible usé.

Selon les estimations de l'AIEA, à la fin de 2024, le combustible usé déchargé des centrales nucléaires dans le monde dépassait 400 000 tonnes de métal lourd (tML). Parmi celui-ci, 106 000 tonnes de métal lourd se trouvent en stockage à sec, une méthode de stockage de longue durée qui devient de plus en plus courante par rapport au stockage humide.

La plupart des États membres de l'AIEA devront encore attendre des décennies avant de disposer d'un dépôt permanent pour le combustible usé, ce qui signifie que les systèmes de stockage à sec devront probablement continuer à fonctionner en toute sécurité au-delà de leur durée de vie nominale. Le stockage humide fonctionne depuis des décennies, et l'AIEA indique que la gestion du vieillissement de ces installations est globalement bien comprise. Les compagnies d'électricité choisissent le stockage à sec pour ses caractéristiques de sûreté passive, et de nombreuses installations de stockage à sec ont déjà obtenu des autorisations de prolongation de fonctionnement. L'AIEA prévoit que la demande de stockage à sec continuera de croître, avec des durées d'utilisation dépassant largement la période d'autorisation initiale de 20 à 40 ans, pouvant même atteindre plus de 120 ans. Il est donc nécessaire d'élaborer des programmes de gestion du vieillissement (PGV) pour vérifier la poursuite de leur fonctionnement en toute sécurité.

Cette année, l'AIEA a publié le rapport intitulé « Programmes de gestion du vieillissement des systèmes de stockage à sec du combustible usé », qui constitue le rapport final du « Projet de recherche coordonnée sur les programmes de gestion du vieillissement des systèmes de stockage à sec du combustible usé ». Ce projet a rassemblé les résultats de recherche des États membres participants d'octobre 2016 à octobre 2021, visant à synthétiser les expériences méthodologiques des différents pays dans l'élaboration et la mise en œuvre de programmes de gestion du vieillissement pour les systèmes de stockage à sec, et à soutenir les pays dans l'avancement de leurs programmes de gestion du vieillissement à travers des cas concrets et des exemples de référence issus de différents pays.

Éléments constitutifs des programmes de gestion du vieillissement — Compte tenu des dizaines de conceptions de stockage à sec actuellement en service, l'AIEA souligne que les programmes de gestion du vieillissement doivent être spécifiquement conçus pour le système de stockage auquel ils s'appliquent. Certaines conceptions étant des conteneurs à double usage (DPC) autorisés à la fois pour le stockage et le transport, le Comité des normes de sûreté du transport de l'AIEA (TRANSSC) a également créé un groupe de travail pour discuter de la gestion du vieillissement des colis de transport.

Le rapport de l'AIEA énumère plusieurs technologies différentes. Il indique qu'il faut d'abord distinguer deux catégories d'installations : celles qui peuvent être utilisées pour le transport et qui peuvent obtenir une approbation de colis de type B(U), et celles qui sont des structures de stockage non destinées au transport.

En ce qui concerne les conteneurs, ils sont actuellement classés en deux catégories selon le matériau principal : les conteneurs métalliques ou les conteneurs en béton avec revêtement métallique. Quel que soit le type, le combustible usé est stocké dans des cartouches scellées ou sous forme de combustible nu dans des paniers. Les structures de stockage se distinguent quant à elles par leur équipement et leur niveau de complexité. Le combustible usé peut être simplement placé dans des cartouches scellées, avec ou sans ventilation ; les cartouches scellées ou le combustible nu peuvent également être stockés dans un bâtiment de stockage (ou une halle de stockage), équipé d'équipements supplémentaires tels que des ponts roulants. Le combustible dans les modules de stockage peut être disposé verticalement (en modules simples ou multiples) ou horizontalement, et peut être situé au-dessus ou au-dessous du sol.

La première étape d'un programme de gestion du vieillissement consiste à identifier, en référence à l'évaluation de sûreté et à la base d'autorisation, les matériaux et les conditions environnementales (telles que l'humidité, la température, la teneur en sel) de chaque structure, système et composant (SSC) relevant du champ d'application. Les environnements énumérés dans le rapport comprennent : l'air extérieur, l'eau déminéralisée, l'hélium, les eaux souterraines/le sol, les environnements abrités, les environnements entièrement clos ou avec revêtement, ainsi que les environnements intégrés dans le béton, les métaux ou les matériaux de protection neutronique.

Les SSC du stockage à sec doivent garantir la sûreté-criticité, la radioprotection, le confinement, l'évacuation de la chaleur, l'intégrité structurelle et la récupérabilité

Le programme de gestion du vieillissement doit identifier les effets de vieillissement plausibles et élaborer des stratégies de gestion, couvrant : les enveloppes en béton et les dalles de support, les matériaux des assemblages de combustible usé, ainsi que les matériaux des divers composants des systèmes de stockage en conteneurs secs. Un programme qui se limite à la détection des défaillances des SSC ne peut pas être considéré comme un programme efficace de gestion du vieillissement. Il est nécessaire de recourir à des inspections, des essais et une surveillance efficaces pour détecter les effets de vieillissement avant que la structure ou le système ne perde sa fonction ou ne tombe en panne.

Identifier les effets de vieillissement plausibles des divers composants des systèmes de stockage en conteneurs secs et élaborer des stratégies de gestion est la première étape d'un PGV

Il faut préciser quand, où et comment les données du programme seront collectées, et justifier, en référence aux codes et normes applicables, les méthodes ou techniques utilisées (telles que l'inspection visuelle, l'inspection volumétrique ou l'inspection de surface) ainsi que leur fréquence.

Dans un programme efficace de surveillance des performances, l'élément « détection des effets de vieillissement » examine et établit les méthodes qui seront utilisées pour la surveillance des performances, tout en justifiant la fréquence de mise en œuvre de ces activités de surveillance.

Qu'est-ce qu'un « élément important pour la sûreté » ? Les SSC importants pour la sûreté (et leurs sous-composants associés) doivent garantir les fonctions de sûreté suivantes : sûreté-criticité, radioprotection, confinement, évacuation de la chaleur, intégrité structurelle et récupérabilité. Une autre définition possible est la suivante :

Confiner les matières radioactives dans les conditions normales, anormales et accidentelles

Maintenir une configuration sous-critique dans les conditions normales, anormales et accidentelles

Réduire le rayonnement émis par le contenu dans les conditions normales, anormales et accidentelles

Évacuer la chaleur de désintégration dans les conditions normales et protéger les composants sensibles à la température tels que le blindage en plomb et les joints dans les conditions anormales et accidentelles

Maintenir la sûreté du contenu dans les conditions normales, anormales et accidentelles

Soutenir les opérations de chargement, de déchargement, de maintenance, de surveillance ou de transport ; si cette fonction est perdue, il peut devenir impossible de retirer les assemblages de combustible individuels ou conditionnés du stockage humide ou sec, ou de retirer les cartouches scellées chargées d'assemblages du conteneur de stockage, de l'enveloppe ou de l'emplacement de stockage.

Retour d'expérience d'exploitation — Rien qu'aux États-Unis, plus de 50 installations de stockage à sec ont obtenu une approbation générique de la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis (NRC). Les dimensions des cartouches scellées et les conceptions des enveloppes en béton sont extrêmement variées, ce qui complexifie les problèmes d'accessibilité — les espaces annulaires et les largeurs, les voies d'accès, les procédés de soudage, les matériaux et les positions des soudures diffèrent tous. Néanmoins, 95 % des stocks mondiaux sont constitués de systèmes à conteneurs boulonnés contenant du combustible nu, ou d'enveloppes de stockage en béton avec cartouches scellées soudées. Les systèmes à conteneurs boulonnés sont plus courants aux États-Unis, tandis que les cartouches scellées soudées sont plus fréquentes en dehors des États-Unis. Les systèmes à conteneurs boulonnés ont connu un développement de 30 à 35 ans. Le rapport indique : « Ce sont des technologies industrielles matures, et aucun incident ou accident grave n'a jamais eu lieu, même les conteneurs chargés de combustible pendant l'accident de la centrale de Fukushima Daiichi sont restés intacts. »

Les techniques d'inspection réglementaire des systèmes à conteneurs boulonnés sont relativement simples, toutes les pièces externes pouvant être inspectées visuellement. Si le conteneur doit être levé pour des raisons opérationnelles, le fond peut également être inspecté à cette occasion. Les pièces internes sont protégées par de l'azote ou de l'hélium, et les fuites sont détectées par la surveillance de la pression.

Aux États-Unis, plus de 50 installations de stockage à sec ont été approuvées par la NRC

Les inspections de routine sont effectuées sur place, généralement sans avoir recours aux systèmes de levage et de manutention, bien que le conteneur puisse être déplacé tous les 10 ans vers une zone dédiée pour une inspection visuelle plus détaillée. Le conteneur est accessible à tout moment pendant le fonctionnement normal, et la corrosion de la surface externe peut être détectée sans inspection spéciale. L'expérience à ce jour montre que seules des traces d'usure et une corrosion locale limitée due à des dommages de peinture pendant la manutention ont été observées.

Plusieurs événements d'exploitation impliquant la corrosion des boulons de tourillon ont eu lieu, ce qui pourrait affecter la manutention sûre du conteneur. Les mesures de contrôle consistent à inspecter la corrosion, à remplacer les boulons et à les re-sceller si nécessaire. Les nouveaux conteneurs adoptent des conceptions améliorées, tous les boulons de tourillon étant protégés par des anneaux en acier inoxydable avec joints, empêchant l'eau borée de s'infiltrer dans les alésages des boulons pendant le chargement.

L'Institut de recherche nucléaire des États-Unis (NEI) a mandaté l'Institut d'exploitation de l'énergie nucléaire (INPO) pour établir un centre d'échange d'informations sur le vieillissement des SSC du stockage en conteneurs secs. Ce centre regroupe les résultats d'inspection positifs confirmant l'intégrité du stockage, ainsi que les enseignements tirés pouvant nécessiter des actions correctives à l'échelle de l'industrie. Après 33 rapports d'inspection, l'industrie n'a pas encore entrepris d'actions de réparation majeures.

En septembre 2016, des signes de corrosion ont été détectés sur la coque en acier au carbone d'une enveloppe Holtec HI-STORM 100 à la centrale de Hatch. La corrosion s'est produite derrière une plaque de signalisation radiologique qui s'était détachée ; elle a été réparée par sablage et repeinture. En octobre 2020, des inspections directes et par caméra ont été réalisées sur les HSM NUHOMS standardisés et les cartouches scellées en acier inoxydable de la centrale de Susquehanna, révélant des dépôts de chlorure sur les cartouches scellées ; les résultats d'échantillonnage ont indiqué qu'ils ne constituaient pas une menace pour les fonctions de sûreté.

Le NUHOMS MATRIX d'Orano est l'une des nombreuses conceptions de stockage à sec dans le monde

La gestion du vieillissement des conteneurs boulonnés à la centrale de North Anna fournit un cas typique : le conteneur de stockage à sec Orano TN-32 est peint en blanc pour faciliter l'inspection visuelle et offrir une protection générale contre la corrosion.

Prolongation de la durée de vie des installations de stockage — Certains systèmes de stockage à sec ont atteint leur durée de vie prévue, mais les enquêtes sur l'état des systèmes de stockage soutiennent la prolongation de la durée de vie autorisée.

Les programmes de gestion du vieillissement de nombreux pays fournissent ce type d'informations, tout en s'appuyant sur l'expérience de gestion du vieillissement des centrales nucléaires et en nommant des opérateurs d'installations de stockage ayant une expérience en centrale. Le rapport de l'AIEA indique que, pendant la période de rédaction du rapport, des progrès techniques significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'inspection, passant d'une échelle de laboratoire à une pratique opérationnelle courante, désormais intégrée au processus de renouvellement des autorisations de stockage aux États-Unis. Par exemple, la surveillance est effectuée à l'aide de données de température provenant de différents emplacements des cartouches scellées. À mesure que les technologies de capteurs gagnent en maturité, de nouvelles possibilités de surveillance devraient voir le jour.

Le rapport conclut : « Alors que les durées de stockage continuent de s'allonger, les programmes de gestion du vieillissement resteront un pilier important de la sûreté des systèmes de stockage à sec. »